省級基礎(chǔ)測繪增量更新生產(chǎn)體系實現(xiàn)

何純芳

(甘肅省地圖院，甘肅 蘭州 730000)

1 引 言

隨著經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，各行業(yè)、領(lǐng)域?qū)A(chǔ)地理信息的應(yīng)用需求呈加速態(tài)勢，需要內(nèi)容更豐富、應(yīng)用更高效的基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)。基礎(chǔ)測繪是經(jīng)濟社會發(fā)展、國防建設(shè)和科學(xué)研究的基礎(chǔ)性工作，是基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)獲取的重要途徑[1]。現(xiàn)階段省級基礎(chǔ)測繪產(chǎn)品的主要形式仍然以 1∶10 000 4D產(chǎn)品為主，其中，DLG產(chǎn)品是生產(chǎn)流程最復(fù)雜、需求量最大的產(chǎn)品[2]。當(dāng)前DLG數(shù)據(jù)更新的主要作業(yè)方式為基于測區(qū)的全要素批次更新模式，這對于全要素更新或者變化量較大的更新，從作業(yè)效率方面分析較為適用。但對于少量要素更新、要素級更新以及準實時更新，增量更新機制則更加切實有效[3]。再者增量更新還能解決歷次更新成果相互獨立、數(shù)據(jù)之間沒有相互聯(lián)系和可追溯性這一問題，為后期的數(shù)據(jù)查詢分析奠定基礎(chǔ)。因此，探究增量更新技術(shù)在DLG更新生產(chǎn)中的應(yīng)用意義重大。

2 基礎(chǔ)測繪增量更新工作基礎(chǔ)

為深入開展增量更新技術(shù)的研究試驗，推動基礎(chǔ)測繪更新技術(shù)提升改造，甘肅省地圖院作為甘肅省基礎(chǔ)測繪生產(chǎn)任務(wù)的主要承擔(dān)單位，特針對基礎(chǔ)測繪增量更新研究及試生產(chǎn)向省自然資源廳申請項目并組織實施。在項目開展過程中，向國內(nèi)先進省份進行了較全面的調(diào)研，學(xué)習(xí)了解了先進省份的做法和經(jīng)驗，并結(jié)合我省的實際情況和工作基礎(chǔ)，建立適合我省的基礎(chǔ)測繪增量更新生產(chǎn)體系。

2.1 國內(nèi)現(xiàn)狀

目前國內(nèi)相關(guān)單位、專家、學(xué)者圍繞基礎(chǔ)測繪更新做了一些研究工作，研究內(nèi)容涉及基礎(chǔ)測繪生產(chǎn)與管理情況、省級基礎(chǔ)測繪更新和新技術(shù)應(yīng)用情況、遙感影像解譯、數(shù)據(jù)提取、變化快速發(fā)現(xiàn)及定位等關(guān)鍵技術(shù)。如周曉光副教授負責(zé)主持的“顧及拓撲關(guān)系一致性的空間數(shù)據(jù)庫增量更新方法研究”項目重點從局部拓撲關(guān)系一致性維護方面進行了研究；山東省國土測繪院按照“一次采集、多次更新”思路，基于匯集庫、資源庫、服務(wù)庫聯(lián)動更新模式，利用聯(lián)動更新系統(tǒng)開展地理空間要素數(shù)據(jù)聯(lián)動更新工作，實現(xiàn)了基于匯集庫、資源庫、服務(wù)庫的三庫聯(lián)動更新模式；廣東省國土資源技術(shù)中心根據(jù)各類數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系和更新時序，采用動態(tài)增量更新模式有序部署各類數(shù)據(jù)更新工作，實現(xiàn)了基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)動態(tài)增量更新。

總體上，上述研究方向和工作取得了一定的成果，但是在省級基礎(chǔ)測繪的大規(guī)模更新生產(chǎn)中的成功經(jīng)驗較少，未形成一套成熟的技術(shù)標準和完整、可行、高效的技術(shù)流程，難以在我省省級基礎(chǔ)測繪的更新生產(chǎn)中有效應(yīng)用。

2.2 甘肅省工作基礎(chǔ)

(1)數(shù)據(jù)編碼規(guī)定

數(shù)據(jù)編碼規(guī)定是對數(shù)據(jù)成果的內(nèi)容及規(guī)格做出規(guī)定，包括數(shù)據(jù)分層及組織、要素的分層和分類編碼、要素的屬性項及填寫內(nèi)容、描述及說明、元數(shù)據(jù)等。

甘肅省省級測繪數(shù)據(jù)生產(chǎn)編碼規(guī)定歷經(jīng)2007版、2008版、2017版三個版本的更新，能夠適用于 1∶5 000、1∶10 000 DLG要素數(shù)據(jù)采集與建庫、數(shù)據(jù)更新、管理、分發(fā)服務(wù)和產(chǎn)品開發(fā)、數(shù)據(jù)交換與共享，以及數(shù)字化測圖、編圖和地圖更新等，為省級基礎(chǔ)測繪增量更新工作開展提供了數(shù)據(jù)體系研究方面的工作基礎(chǔ)。

(2)省級基礎(chǔ)測繪基本全覆蓋，進入全面數(shù)據(jù)更新階段

“十二五”“十三五”省級基礎(chǔ)測繪規(guī)劃的實施完成，除部分無人區(qū)外，我省的城鎮(zhèn)及以上以及農(nóng)耕區(qū)的DLG數(shù)據(jù)基本實現(xiàn)覆蓋，全省的DLG數(shù)據(jù)即將進入全面更新階段。

(3)省級基礎(chǔ)測繪更新數(shù)據(jù)源

甘肅省第一次地理國情普查實施后，完成了全省范圍的地理國情普查數(shù)據(jù)的生產(chǎn)。從2016年起，國家支持我省開展了常態(tài)化的基礎(chǔ)性地理國情監(jiān)測工作，成果資料包括地表覆蓋和地理國情要素數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)將為省級基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)更新提供參考資料[4]。

3 增量更新生產(chǎn)體系的實現(xiàn)

通過技術(shù)研究、試驗建立增量更新模式生產(chǎn)技術(shù)體系，實現(xiàn)地理信息數(shù)據(jù)更新狀態(tài)的實時記錄與可追溯，解決地理信息數(shù)據(jù)歷次更新缺乏內(nèi)在連貫性以及更新數(shù)據(jù)冗余等問題。具體內(nèi)容包括對數(shù)據(jù)規(guī)定進行適宜性改進，確立增量更新模型，形成新版的編碼規(guī)定，完善增量更新數(shù)據(jù)體系；在生產(chǎn)試驗過程中對軟件平臺提出需求并不斷完善，利用軟件功能實現(xiàn)增量更新信息的自動記錄以及增量數(shù)據(jù)包的導(dǎo)出；對組織方式、變化發(fā)現(xiàn)等關(guān)鍵環(huán)節(jié)和技術(shù)進行深入研究，并在試生產(chǎn)過程中總結(jié)出適用于新形勢下基礎(chǔ)測繪更新生產(chǎn)的技術(shù)流程、組織方式等，形成完整的增量更新生產(chǎn)體系。

3.1 數(shù)據(jù)體系的研究實現(xiàn)

增量更新技術(shù)主要通過設(shè)計相適應(yīng)的增量更新模型來實現(xiàn)。增量更新模型作為增量更新技術(shù)的核心直接影響增量更新技術(shù)的科學(xué)性和實用性。通過建立科學(xué)合理的增量更新模型，從而實現(xiàn)更新成果要素的生產(chǎn)過程核心要素狀態(tài)節(jié)點追溯[5]。

此次試驗的增量更新模型是在現(xiàn)有的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上增加六個字段：F_GUID、F_UPDATETIME、F_UPDATETYPE、F_UPDATEFIELD、UPDATE_INDBTYPE、UPDATE_SRCGUID。更新模型新增結(jié)構(gòu)如表1所示。

表1

通過這6個字段可實現(xiàn)數(shù)據(jù)增量生產(chǎn)的一個循環(huán)，本底庫數(shù)據(jù)提供原始數(shù)據(jù)的標識碼，在生產(chǎn)過程中記錄生產(chǎn)時間和更新類型，入庫類型通過與更新類型的對應(yīng)關(guān)系進行填寫，再根據(jù)入庫類型進行數(shù)據(jù)的融合入庫。源標識碼在生產(chǎn)過程中進行實時填寫以供后期的追溯分析使用。

此增量更新模型對各要素進行時空獨立的封裝并唯一標識，包含時間、空間、屬性、行為方法以及其他對象的時空關(guān)系等信息，結(jié)合更新信息實時自動記錄機制，實現(xiàn)了更新成果要素的生產(chǎn)過程、要素狀態(tài)節(jié)點追溯，保障了生產(chǎn)連續(xù)性。模型設(shè)置的六個字段從更新時間、更新狀態(tài)、入庫類型等方面基本實現(xiàn)增量更新生產(chǎn)的一個循環(huán)，還可在深入研究的基礎(chǔ)上進一步擴展，以利于后續(xù)的分析應(yīng)用。例如模型中的更新字段，就是對更新類型是屬性修改的要素的補充說明，具體描述屬性修改的字段和內(nèi)容，為后期的追溯分析起到輔助作用。再者更新類型的枚舉值中涵蓋的更新生產(chǎn)場景，也可在深入研究中進一步細化。

3.2 工作任務(wù)區(qū)劃分實現(xiàn)

此次試驗計劃基于行政區(qū)域為組織方式進行增量更新生產(chǎn)，最終因原始本地庫數(shù)據(jù)提取問題未能實現(xiàn)，主要是因為目前我省的原始本地庫是基于圖幅分割方式為存儲單元，在進行行政區(qū)域本地庫數(shù)據(jù)提取的時候通過物理方式合并和切割，在圖幅接邊處的要素僅僅是要素的拼接，不是合并，存在單個要素被分割的現(xiàn)象，在拓撲關(guān)系上存在不合理偽節(jié)點，而在行政區(qū)域界線處存在要素被物理切割，單個要素被切割后賦給不同的標識碼，更新后數(shù)據(jù)無法融合入庫。

解決此問題需要對本地庫進行存儲單元的改造。省級基礎(chǔ)測繪產(chǎn)品DLG數(shù)據(jù)全覆蓋后更新生產(chǎn)趨于常態(tài)化，在存儲單元上，考慮要素級更新則應(yīng)打破傳統(tǒng)基于圖幅為單元的模式[6]，以要素為存儲單元，但是需兼顧部分要素跨縣鄉(xiāng)，乃至跨省的情況。綜合考慮，兼顧要素級、行政區(qū)域、生產(chǎn)組織多方面，可對全省進行一個任務(wù)區(qū)格網(wǎng)劃分，劃分時以市域為基礎(chǔ)，兼顧市域邊緣地物的完整性，以線狀地物自然分割為邊界線，這種劃分利于生產(chǎn)組織中的任務(wù)分配、資料收集，還可大大減少接邊工作量，進一步提高生產(chǎn)效率。

3.3 變化發(fā)現(xiàn)驅(qū)動的按需更新實現(xiàn)

變化信息的快速發(fā)現(xiàn)直接影響對本底數(shù)據(jù)現(xiàn)勢性的判斷，以及更新作業(yè)中工作量的判斷。確定變化區(qū)域是進行數(shù)據(jù)更新工作的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是基礎(chǔ)測繪提升工作效率和水平的有效途徑[7]。

此次試驗以聯(lián)動發(fā)現(xiàn)和對比發(fā)現(xiàn)兩種方式進行具體的研究。聯(lián)動發(fā)現(xiàn)主要為村、鄉(xiāng)鎮(zhèn)、縣級等國土、測繪相關(guān)部門和人員進行變化線索搜集和變化區(qū)域發(fā)現(xiàn)或采用收集到的關(guān)于變化區(qū)域的相關(guān)資料進行分析利用。對比發(fā)現(xiàn)主要是對變化地物(區(qū)域)使用遙感解譯軟件(系統(tǒng))進行自動分類與提取的試驗研究。

通過試驗，聯(lián)動發(fā)現(xiàn)中的資料收集和“隴上國土云”國土調(diào)查軟件在作業(yè)中有實效，在縣自然資源局能收集到每年自然資源部開展的年度土地利用現(xiàn)狀變更調(diào)查數(shù)據(jù)成果準確率高，與基礎(chǔ)測繪的適配性較好，收集資料的時候可獲取歷年的變更調(diào)查成果(包括證據(jù)照片)，可作為基礎(chǔ)測繪內(nèi)業(yè)采集的重要參考資料使用，而“隴上國土云”國土調(diào)查軟件既可用于收集資料的實時傳輸，又可用于外業(yè)核查，可提高內(nèi)外業(yè)信息的交互及時性，減少數(shù)據(jù)傳輸時間延遲，提高工作效率。對比發(fā)現(xiàn)中主要對簡譯、GeowayUpdater、GeowayFeature三款解譯軟件進行試驗對比，最終發(fā)現(xiàn)GeowayFeature的專題要素提取方法實現(xiàn)變化發(fā)現(xiàn)的效果較好，該方法中的樣本庫可擴展，通過海量樣本訓(xùn)練模型，提取效果隨著樣本庫的豐富質(zhì)量更佳。

3.4 更新流程與技術(shù)的研究實現(xiàn)

項目研究實現(xiàn)的增量更新流程，以增量更新模型為紐帶，將增量更新業(yè)務(wù)流和數(shù)據(jù)流在生產(chǎn)端和入庫端形成閉合環(huán)。此次試驗生產(chǎn)本底數(shù)據(jù)源于原始數(shù)據(jù)庫中分幅提取，并在本底數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上進行變化要素更新作業(yè)，生產(chǎn)端更新生產(chǎn)在保持原有數(shù)據(jù)采編作業(yè)習(xí)慣且不增加工作量的基礎(chǔ)上完成增量的自動記錄與提取，形成增量更新包，入庫端更新生產(chǎn)直接利用提取的增量包，基于要素唯一編碼的地理要素快速自動匹配以及要素的沖突檢測與處理，最終進行數(shù)據(jù)成果的融合入庫，對成果庫進行更新。此作業(yè)流程在基于數(shù)據(jù)庫本身進行多人同步更新作業(yè)方面可進一步深入研究，依托更新信息的實時自動記錄實現(xiàn)要素級別的更新生產(chǎn)動態(tài)追蹤，保持更新生產(chǎn)連貫性，并在作業(yè)中實時進行要素沖突檢測與處理，省略從數(shù)據(jù)庫提取和后期數(shù)據(jù)庫融入這個過程，以減少流程節(jié)點，進一步提高效率。

4 進一步研究方向

4.1 變化發(fā)現(xiàn)的應(yīng)用效能進一步提高

變化發(fā)現(xiàn)是在遙感解譯技術(shù)的基礎(chǔ)上進行對比發(fā)現(xiàn)變化區(qū)域。自動解譯一直是遙感領(lǐng)域研究的重點和難點內(nèi)容，從人工目視發(fā)展到半自動解譯，目前正向全智能化解譯方向的發(fā)展[8]。隨著相關(guān)理論和技術(shù)的發(fā)展，在遙感自動解譯研究方面已經(jīng)取得了很多成果，但仍然存在許多需要解決的問題，例如解譯方法依賴影像的光譜特征、遙感信息提取的精度和準確度等，都為遙感智能解譯帶來難度，相應(yīng)而言，變化發(fā)現(xiàn)在生產(chǎn)中的應(yīng)用，對使用的影像源要求極高，并且在信息提取的精度和準確度上依賴于遙感解譯技術(shù)的進步。當(dāng)前較前沿的遙感影像變化發(fā)現(xiàn)方式是基于人工智能的深度學(xué)習(xí)方法對典型要素進行自動化識別，該方式依賴于海量樣本庫數(shù)據(jù)的建立。因此，變化發(fā)現(xiàn)的應(yīng)用效能還需進一步提高。

4.2 生產(chǎn)實用性進一步改進

此次試驗在更新類型記錄方面采用更新過程實時自動記錄和更新后比對相結(jié)合的更新信息雙記錄機制，除實時記錄填寫外，后比對操作對更新字段進行填寫以及對更新類型進行錯誤修復(fù)。雖然都是通過軟件自動填寫，可避免人為錯誤，但是不同的操作方法會造成記錄的不一致，下面以具體示例進行說明。

示例1：某處單位進行了更改，在對單位名稱進行修改時可以有兩種操作方式，具體如表2所示：

表2

兩種操作方式造成了不同的結(jié)果，操作一成果為正確成果，操作步驟嚴謹，而操作二在不考慮增量因素下也達到了數(shù)據(jù)更新的目的，但是考慮增量的情況下此種操作缺少單位1要素的刪除記錄，并且把單位1的標識碼錯誤賦給了單位2要素。

示例2：某處房屋的范圍發(fā)生了改變，對此房屋進行幾何范圍修改的時候可以有兩種操作方式，具體如表3所示：

表3 房屋幾何范圍修改的操作方式對比

兩種操作方式造成了不同的結(jié)果，操作一成果為正確成果，操作步驟嚴謹，而操作二雖然對房屋范圍進行了正確的邊界修改，但是這樣操作造成增量成果數(shù)據(jù)的更新類型錯誤記錄為增加。

分析具體原因，這是因為部分字段通過實時填寫來完成，而操作中一旦造成標識碼的改變，后期的更新后比對也無法修復(fù)問題，所以必須在生產(chǎn)前對作業(yè)人員進行充分培訓(xùn)，要求作業(yè)人員對增量更新模型中的涉及字段的填寫原理進行深刻領(lǐng)會，關(guān)注核心字段-標識碼，在生產(chǎn)過程中務(wù)必嚴謹規(guī)范。此問題可在進一步研究中力爭避開實時記錄，通過實現(xiàn)要素級別的比對來記錄要素的更新狀態(tài)和更新歷程，讓作業(yè)員在生產(chǎn)中不需考慮操作手段，只考慮最終成果的正確性，以提高更新生產(chǎn)中人機交互的操作效率。

5 結(jié) 語

通過該項目的研究和試驗，形成的增量式更新生產(chǎn)技術(shù)路線科學(xué)、可行，研發(fā)的系統(tǒng)工具能夠基本滿足生產(chǎn)流程改造需求，較好地適應(yīng)實際生產(chǎn)。在此基礎(chǔ)上進一步深入研究，改進并完善增量更新技術(shù)，擴展增量更新模型，減少作業(yè)流程節(jié)點，破除以圖幅為單位的傳統(tǒng)形式，實現(xiàn)“按需更新”“快速更新”，進一步提升基礎(chǔ)測繪的更新生產(chǎn)效率，進一步提升基礎(chǔ)測繪成果管理水平和應(yīng)用水平，大力提升地理信息在自然資源調(diào)查監(jiān)測等方面的服務(wù)保障能力。